Introdução às Ciências Físicas Módulo 1 Aula 5
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- Sandra Gameiro Casado
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1 Leituras e Exercícios 7 Leitura Leia sobre os assuntos O que é uma lente?, Lentes convergentes e divergentes, Imagens em uma lente convergente,imagens em uma lente divergente na seção 12.4 intitulada Lentes e instrumentos ópticos do Capítulo 12 do livro de Antonio Máximo e Beatriz Alvarenga, Física - volume único. Deste mesmo Capítulo 12, resolva os exercícios de fixação de números de 35 até 38. Não se esqueça de verificar se as suas soluções estão corretas. Em caso de dúvida, procure o tutor no pólo. Exercício 1.15 Uma lente convergente forma uma imagem de um objeto luminoso que é projetada em um anteparo (ver Figura 92a). O que acontece com a imagem projetada no anteparo:! quando o anteparo é aproximado da lente;! quando o anteparo e o objeto são mantidos nas posições iniciais e a lente é retirada;! quando o anteparo e a lente são mantidos nas posições iniciais e, como mostrado na Figura 92b, coloca-se um cartão preto entre o objeto e a parte superior da lente. Figura 92a Figura 92b Física 121 CEDERJ
2 Instrumentos Ópticos O principal instrumento óptico é para nós o olho que, num esquema simplificado, está mostrado na Figura 93. Os raios luminosos vêm do objeto e passam por uma membrana transparente, a córnea, onde sofrem uma primeira e importante refração (o índice de refração da córnea é semelhante ao da água); passam então por uma abertura denominada pupila, controlada pelos pequenos músculos da íris (que dá a cor aos olhos) e são finalmente focalizados com precisão por uma lente convergente, o cristalino, que forma uma imagem real sobre a superfície da retina, no fundo do olho. Terminações nervosas na retina enviam a informação da imagem ao cérebro. Figura 93 o olho humano pupila íris retina córnea cristalino O cristalino difere das lentes comuns em vários aspectos, que não discutiremos aqui, um deles porém deve ser citado: o cristalino é uma lente de distância focal f variável! Diferente do que ocorre numa câmera fotográfica, que estudaremos mais adiante, a distância imagem i no olho (distância cristalino-retina) é fixa. Para que as imagens nítidas sempre se formem a essa distância, pela equação das lentes delgadas, a distância focal deve então variar conforme a distância do objeto. Física 122 CEDERJ
3 O cristalino é mantido em posição atrás da íris por ligamentos, que estão conectados a músculos. Quando esses músculos estão relaxados, o cristalino fica alongado, com raios de curvatura maiores e distância focal aumentada. Quando um objeto se aproxima do olho os músculos se contraem, o cristalino se deforma e reduz sua distância focal. Num olho normal, quando os músculos estão completamente relaxados um objeto distante (no infinito) forma uma imagem nítida na retina, como mostrado na Figura 94. Na Figura 95 mostra-se o que ocorre quando o objeto se aproxima, é a chamada acomodação do olho. Figura 94 olho normal focalizando objeto distante Figura 95 olho normal focalizando objeto próximo: acomodação O nome cristalino, algo enganador por não tratar-se de um cristal, data do ano 1000, tendo sido introduzido nos trabalhos de Abû Alî al Hasan ibn al Hasan ibn al Haitham, conhecido como Alhazen do Cairo, que descreveu o olho como sendo dividido em três regiões: aquosa, cristalina e vítrea Física 123 CEDERJ
4 Os mamíferos, em geral acomodam o olho como nós. Peixes, movem a própria lente do olho, aproximando-a ou afastando-a da retina, como ocorre numa máquina fotográfica. Aves de rapina, efetuam a acomodação alterando a curvatura da córnea. Num olho míope, quando os músculos que atuam no cristalino estão completamente relaxados, sua distância focal é insuficiente para focalizar objetos distantes (porém focaliza bem os objetos próximos). Isso é corrigido com o uso de lentes divergentes, como mostrado na Figura 96. Você saberia explicar por que os óculos de uma pessoa míope fazem seus olhos parecerem menores? Figura 96 olho míope Num olho hipermétrope o cristalino focaliza bem objetos distantes, mas não consegue reduzir sua distância focal para focalizar bem os objetos próximos. Isso é corrigido com o uso de lentes convergentes, como mostrado na Figura 97. Você saberia explicar por que os óculos de uma pessoa hipermétrope fazem seus olhos parecerem maiores? Física 124 CEDERJ
5 Figura 97 olho hipermétrope Um outro defeito do olho, muito comum, é o chamado astigmatismo. Vimos que a distância focal de uma lente esférica depende do índice de refração do material e dos raios de curvatura de cada superfície. Se houver uma deformação da superfície, ou seja, se ela for assimétrica em torno do eixo da lente, o raio de curvatura não será o mesmo em cada plano contendo o eixo: o resultado é uma distância focal que depende do plano considerado. O astigmatismo consiste em uma assimetria da córnea, podendo, nos casos mais simples, ser corrigido com o uso de lentes cilíndricas; casos mais complicados requerem formatos mais elaborados. Física 125 CEDERJ
6 Ampliação em Instrumentos Ópticos Os instrumentos ópticos que descreveremos a seguir, a lupa ou lente de aumento, o microscópio e a luneta astronômica, têm como função produzir uma imagem ampliada de um objeto. Mas o que queremos dizer por imagem ampliada? 1. Já nos referimos à ampliação transversal ou linear, m T nesse caso estamos comparando o comprimento da imagem com o do objeto. Obtivemos que m T = - i/ o (na seção Ampliação Transversal). 2. Podemos nos referir à ampliação angular, m A nesse caso estamos comparando o ângulo visual (que será explicado a seguir) da imagem com o do objeto. No caso dos instrumentos ópticos, o que importa é a ampliação angular. Vamos entender isto observando a Figura 98. O observador vê o objeto A, que é grande e distante, com o mesmo tamanho que o objeto B, que é pequeno e próximo. Um exemplo seria a Lua e uma moeda, ou uma estrela e a cabeça de um alfinete. Por outro lado, se aproximarmos o objeto B (agora indicado por B ) ele parecerá maior do que antes, ainda que seu comprimento não tenha mudado. Figura 98 ampliação e ponto próximo A θ 1 θ 2 B B Na Figura 98, os objetos A e B apresentam ao observador o mesmo ângulo visual θ 1, por isto eles aparecem com o mesmo tamanho. Já B apresenta um ângulo visual θ 2 > θ 1, tornando-se maior. Não podemos porém continuar aproximando o objeto do olho, pois numa certa distância (que varia de pessoa para pessoa e com a idade), o chamado ponto próximo, o cristalino não consegue mais formar uma imagem nítida. Física 126 CEDERJ
7 As figuras ilustram o que ocorre. Na Figura 99 temos um objeto formando uma imagem nítida na retina. Na Figura 100 temos a distância mínima de aproximação nítida d p, ou ponto próximo, a imagem na retina é maior e o cristalino ainda consegue acomodar-se. Aproximando-se ainda mais, a imagem cresce, mas torna-se desfocada como mostrado na Figura 101. Figura 99 Objeto afastado: imagem nítida pequena, na retina y p θ d θ Figura 100 Objeto no ponto próximo: imagem nítida de máximo tamanho, na retina y p θ p d p θ p s p Figura 101 Objeto mais perto que o ponto próximo: imagem maior desfocada, na retina O poder de ampliação (ou ampliação angular) de um instrumento óptico é definido como a razão entre o tamanho da imagem formada na retina, quando se olha um objeto através do instrumento, e o tamanho que tem a imagem na retina quando, sem o auxílio do instrumento, se olha o mesmo objeto colocado numa posição normal de visualização. No caso de objetos pequenos, a serem observados com lupas ou microscópios, toma-se como posição normal de visualização o ponto próximo (s p na figura). Física 127 CEDERJ
8 A lupa ou lente de aumento Na Figura 102 observa-se o objeto AB, que mede y p, através de uma lente convergente, que recebe o nome de lupa ou lente de aumento. Já sabemos que, como o objeto está entre o foco e a lente, a imagem é virtual e direita, de comprimento y. O ângulo visual é θ, e a imagem na retina mede s. B Figura 102 lupa ou lente de aumento y θ B y p A i F 2 A f o l θ s L Comparando com a Figura 100, indicando por x a distância fixa do cristalino à retina, podemos escrever θ p = s p /x ; θ = s/ x então m A = s/s p = (θ. x) / (θ p. x) = θ /θ p Na aproximação paraxial os ângulos são pequenos, portanto podemos escrever que y / L d p i d p m A = = mt = y / d L o L p p Usando a equação das lentes delgadas, podemos escrever agora (lembrando que i é negativo, i < 0): m i d ) f L L l = (1 + f p A = (1 ) d L p Física 128 CEDERJ
9 Há dois casos importantes: 1. A lupa é usada próxima do olho, com o cristalino no plano focal da lente, ou seja l = f. Então, m A = ( 1 + (L-f)f ) d p / L = (1+L/f-1) d p /L = d p /f 2. A situação mais comum: põe-se o objeto no outro plano focal. O olho pode ficar a qualquer distância; pode-se por exemplo segurar a lupa com o braço esticado, para aproximá-la do objeto. Nesse caso a imagem virtual forma-se no infinito, L =, pois são paralelos os raios que chegam ao olho, como mostra a Figura 103. Isso é bom, pois assim o olho normal permanecerá relaxado, sem necessidade de acomodação. Então, m L l d p (1 + ) f L d ( L L f d L p p A = lim L = lim L + ) = d p L Figura 103 lupa: objeto no foco, imagem no infinito θ B A F 2 y p o f θ s Para aumentarmos o poder de ampliação da lupa é necessário diminuir o valor de f, reduzindo-se o raio de curvatura. Mas para nos mantermos dentro da aproximação paraxial, temos que pegar regiões esféricas cada vez menores. Então as lupas de maior poder de ampliação têm de ser pequenas. Pelo mesmo motivo, lupas de grande campo visual, como as lupas de leitura ou a de Sherlock Holmes, formadas por regiões esféricas maiores, possuem raios de curvatura grandes e um menor poder de ampliação. Física 129 CEDERJ
10 O Microscópio composto O microscópio composto é usado na observação de objetos próximos muito pequenos (micróbios, etc.). Na sua versão mais simples, consiste de um tubo com uma lente em cada extremidade. O objeto é colocado próximo ao foco de uma delas, chamada de objetiva, que forma uma primeira imagem real e ampliada transversalmente do objeto. Essa imagem real forma-se muito próxima do foco da outra lente, a ocular. Em outra palavras, a objetiva traz o objeto (aumentado) para perto do observador. Este então o examina com uma lupa, a ocular, que produz uma imagem virtual com ampliação angular. No processo de focalização do microscópio, o observador ajusta a ocular de modo que a imagem virtual se forme no infinito (raios paralelos) e o olho não necessite de acomodação, como mostrado na Figura 104. Figura 104 Imagem no microscópio (olho relaxado) No microscópio a distância s é muito maior que as distâncias focais das lentes. A imagem real formada pela objetiva tem, como vimos (onde aqui s é a distância entre a imagem e o foco), uma ampliação linear Física 130 CEDERJ
11 m T y = = y O ângulo visual do objeto no ponto próximo seria y θ = d p e o da imagem formada pelo instrumento é y θ = f Portanto, a ampliação angular é: m A θ y d p = = θ y f O poder de ampliação do microscópio é então: m A s f s d p = f f Luneta Astronômica A luneta astronômica (Figura 105) é usada na observação de objetos como a Lua, planetas e estrelas, que são muitos grandes mas nos parecem pequenos por estarem muito distantes de nós. Na sua forma mais simples é, como o microscópio, constituída por um tubo com uma lente em cada extremidade. Agora porém o objeto encontra-se muito afastado da objetiva, no infinito (os raios incidem nela na forma de um feixe paralelo), e a imagem real do objeto forma-se no seu plano focal. Além disso, a objetiva é agora uma lente de distância focal grande. Figura 105 luneta astronômica (olho relaxado) Objetiva Objeto Imagem real y Ocular θ f θ F 2 F 1 f θ θ F 1 Imagem virtual no Física 131 CEDERJ
12 Na Figura 105 vemos que ao objeto distante corresponde um ângulo visual θ, que é o mesmo da imagem real em relação à objetiva. Por outro lado, à imagem virtual formada pela ocular (que é a imagem vista pelo observador) corresponde um ângulo visual θ, igual ao da imagem real. Então, da figura: tg θ θ = y /f e tg θ θ = y /f portanto, o poder de ampliação da luneta astronômica (ou telescópio refrator) é: m A = θ / θ = f /f Ora, nós já aprendemos que não podemos diminuir muito a distância focal de uma lupa, e a ocular funciona como uma!. Assim, para aumentarmos o poder de ampliação de uma luneta astronômica, aumenta-se a distância focal da objetiva. Por isso os telescópios refratores são longos; quanto mais longos, maior a ampliação! A Máquina Fotográfica O princípio básico de qualquer máquina fotográfica origina-se na camera obscura, ou câmera escura, que é simplesmente um quarto escuro ou uma caixa, com um pequeno orificio em uma das paredes. A luz que passa pelo furo projeta uma imagem invertida da paisagem ou de objetos, na parede oposta (Figura 106). Figura 106 Câmara escura o Física 132 CEDERJ
13 O principio da câmera obscura era conhecido de Aristóteles, cujas observações foram preservadas por eruditos árabes durante a Idade Média. Um deles, Alhazen, a utilizou para estudar com segurança eclipses solares há mais de 800 anos atrás. As anotações de Leonardo da Vinci, no Renascimento, contêm várias descrições dela. A câmera fotográfica resultou da colocação de um material sensível à luz, que registrasse de modo permanente a imagem projetada. O uso da câmera escura simples como máquina fotográfica apresenta o inconveniente de que o furo tem de ser bem pequeno, para obter-se uma imagem nítida. Como você pode ver na figura, cada ponto do objeto ilumina uma pequena região da imagem. Se aumentarmos o furo, essas regiões aumentam e a imagem torna-se menos nítida, vindo a desaparecer se o furo for muito grande. Tópico avançado: Se diminuirmos demais o furo, a imagem torna-se menos nítida novamente!. Esse é um novo comportamento da luz, que NÃO pode ser explicado pelo modelo da Óptica Geométrica. Um furo pequeno diminui muito a quantidade de luz que chega na imagem. Isso significa que um filme fotográfico exigiria tempos de exposição muito longos, tornando o processo pouco prático e mesmo impossível, no caso de objetos em movimento. Por este motivo as câmeras ou máquinas fotográficas modernas usam lentes, que permitem focalizar a imagem sem demasiada redução da abertura de entrada da luz. A Figura 107 mostra esquematicamente o arranjo básico de uma câmera fotográfica. Diferente do que ocorre no olho, a distância focal da lente é fixa, assim para obter-se uma imagem nítida sobre o filme, a lente é movida para frente ou para trás pois a distância imagem i varia (por quê?). Todavia, para objetos mais afastados a imagem nítida forma-se sempre próxima ao plano focal, dessa forma em algumas câmeras não há essa regulagem e a distância imagem (distância lente-filme) é mantida igual à distância focal. no Experimento 3 da Aula 1 você viu o comportamento da luz mudar ao atravessar fendas estreitas Física 133 CEDERJ
14 Figura 107 esquema simplificado de uma máquina fotográfica F As câmeras fotográficas variam muito no preço e complexidade do sistema óptico, pois usa-se um sistema de lentes (e não apenas uma) para corrigir distorções, aproximar objetos distantes, aumentar o ângulo visual fotografado. Pode variar também a maneira de visualizar os objetos a serem fotografados, pois algumas usam um visor direto simples, outras uma segunda lente (câmera reflex), e outras um prisma pentagonal (câmera pentax) para visualização através da própria lente da câmera. Física 134 CEDERJ
15 Leituras e Exercícios 8 Leitura Leia sobre os assuntos O olho humano, Defeitos de visão, A máquina fotográfica, O projetor, A lupa, O microscópico, A luneta astronômica na seção 12.4 intitulada Lentes e instrumentos ópticos do Capítulo 12 do livro de Antonio Máximo e Beatriz Alvarenga, Física - volume único. Deste mesmo Capítulo 12, resolva os exercícios de fixação de números de 40 até 44. Não se esqueça de verificar se as suas soluções estão corretas. Em caso de dúvida, procure o tutor no pólo. Leia sobre o assunto O olho humano e os Defeitos da Visão na seção 2.2, A formação de Imagens e os Defeitos da Visão na seção 2.3, Aperfeiçoamento da Visão obtida pelo Olho:Instrumentos Ópticos e Observação da Parte 2- SISTEMAS ÓPTICOS QUE POSSIBILITAM A VISÃO DAS COISAS do livro Física 2 (Física Térmica e Óptica) do grupo GREF. Exercício 1.16 A acomodação do cristalino, mudando a sua distância focal, permite que um olho normal de uma pessoa jovem possa ver com nitidez, desde uma distância muito grande (você é capaz de ver estrelas muito distantes) até o chamado ponto próximo. O ponto próximo pode ser encontrado aproximado-se lentamente dos seus olhos a capa de um livro que contém o seu título. Quando as letras perderem a nitidez você encontrou o seu ponto próximo. Encontre o seu ponto próximo e meça a distância entre os seus olhos e ele. (Esta distância varia de uma pessoa para outra; seu valor é de aproximadamente 25 cm). Exercício 1.17 Faça a Atividade 3 (Teste de visão/óculos) da Parte 2-SISTEMAS ÓPTICOS QUE POSSIBILITAM A VISÃO DAS COISAS do livro Física 2 (Física Térmica e Óptica) do grupo GREF. Física 135 CEDERJ
16 Leitura Leia sobre o assunto Processos Luminosos na Máquina Fotográfica na seção 1.2 da Parte 1-PROCESSOS LUMINOSOS:INTERAÇÃO COM A LUZ do livro Física 2 (Física Térmica e Óptica) do grupo GREF. Questionário 7 Responda novamente em seu caderno às perguntas do Questionário 6, no início desta aula. Compare as respostas que você escreveu agora com as que você obteve antes de comeas perguntas que foram feitas no início dessa unidade. Chegamos ao final da quinta aula. Nesta aula, discutimos a formação de imagens pelas lentes e as aplicações ao nosso dia a dia destas idéias na construção de instrumentos ópticos. Com isso, estamos próximos da conclusão de nosso primeiro módulo da disciplina. E com uma constatação: um modelo extremamente simples como o da óptica geométrica permite a compreensão de um grande número de fenômenos observados e a construção de instrumentos muito úteis para a ampliação de nossa visão. Física 136 CEDERJ
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